Sandwich形加筋土桥台受力性能数值模型研究

章苏亚

(上海公路桥梁(集团)有限公司，上海 200433 )

加筋土柔性桥台具有节约用地与减小差异沉降等优势，可降低运营成本，并且其侧向约束能力强、稳定性较高。在承受填土压力方面，加筋土桥台与一般加筋土支挡结构基本相同，桥梁结构可以直接安置在加筋土桥台顶部。葛折圣等[1]基于土工离心模型试验,探究了土工格栅加筋台背土压力的分布、加筋土体的沉降变形以及筋材的应变等特征。王贺等[2]采用室内模型试验探究了墙顶静载作用下返包式加筋土挡墙的力学特性和变形性能。Huang等[3]采用FLAC3D软件建立数值模型，研究了在填筑期间和荷载作用下，3种不同本构模型的加筋土挡墙的受力性能。Pain等[4]研究了土体动力特性对加筋土支挡结构内部稳定性的影响。刘飞禹等[5]采用FLAC3D软件建立计算模型,比较并分析了加筋路堤和天然路堤在移动荷载作用下的响应。Xiao等[6]基于一系列静荷载下的加筋土挡墙的模型试验,综合分析了条形基础的宽度、土工格栅加固的长度等因素对其受力与变形性能的影响。周志刚等[7]基于现场监测试验和有限元计算分析，研究了土工格栅加筋柔性桥台的工作机理。徐明[8]研究了桥台后土压力的大小及分布规律。申大为等[9]对地震作用下的加筋土桥台进行模拟,分析了峰值加速度对结构响应的影响。Ardah等[10]通过实地监测和PLAXIS数值模拟研究了加筋土桥台的筋材拉力、最大沉降以及横向变形。肖成志等[11]通过模型试验，研究了加筋土桥台极限承载力、变形以及土压力等规律。刘萌成等[12]研究了加筋回填土的强度参数换算和简化模拟方法。

加筋土在道路桥梁工程中的应用被广泛关注，针对加筋土填料的研究也时有出现。Abdi等[13-14]通过直剪试验以及拉拔试验研究了在土工格栅的黏土中嵌入薄层砂土强化加筋效果的Sandwich形加筋土。这种加筋土能发挥砂砾类土与筋材界面间良好的接触性能，弥补黏土与筋材界面抗剪强度较弱的缺陷。此外，Sandwich形加筋土具有取材方便、工期较短及工程成本较低的优势，有利于加筋土桥台的应用和发展。刘飞禹等[15-16]开展了筋土界面循环剪切试验，结果表明Sandwich形加筋土的筋-土界面存在最优的薄砂层厚度，此时的抗剪强度最大。

目前Sandwich形加筋土桥台的相关研究较为缺乏，对此类填土方式的加筋土研究仅限于单元体尺度范围。本研究采用FLAC3D软件建立Sandwich形加筋土桥台与传统的粗颗粒土加筋土桥台的数值模型。首先，将研究数值模拟结果与其他文献数值模拟结果和现场监测结果进行对比，验证数值模型的可靠性。然后，将Sandwich形加筋土桥台与传统的粗颗粒土加筋土桥台进行对比分析，研究Sandwich形加筋土桥台的受力和变形规律。

1 模型建立

1.1 模型尺寸及参数

数值计算模型宽度为12 m，桥台高度为6 m，地基深度为6 m，桥台外计算宽度为5 m，模型尺寸如图1所示。加筋土采用砂土夹黏土的形式，砂土厚度为0.1 m，黏土厚度为0.4 m。加筋区域后方填土为黏土，桥台及土体参数如表1所示。桥台共有12层长度为6 m的筋材，筋材竖向间距为0.5 m，筋材参数如表2所示。桥台模块与模块以及桥台与土体间的接触面参数如表3所示。

图1 模型尺寸(单位：m)

表1 桥台及土体参数

表2 筋材参数

表3 桥台模块与模块以及桥台与土体间的接触面参数

三维网格划分如图2所示，计算时将模型底面x、y和z三个方向全部固定，模型四周均为水平约束，桥台前方地基顶面、桥台面板以及加筋土桥台顶面为自由边界。

图2 三维网格划分(单位：m)

1.2 荷载施加

根据桥台工程实际，设计条形基础距桥台距离为1 m，基础宽度为2 m。根据不同跨径取3个不同工况：工况1的基础荷载为100 kPa；工况2的基础荷载为150 kPa；工况3的基础荷载为200 kPa。分析不同条形荷载下两种形式的加筋土桥台的受力与变形特性。

1.3 计算模型验证

由于目前研究中暂无Sandwich形加筋土桥台的相关研究实例，故通过模拟分析单一填料的加筋土桥台的计算模型，将本研究计算结果与文献[9]数值模拟结果以及文献[9]现场监测结果进行对比，桥台沿墙高的水平位移曲线如图3所示。

图3 桥台沿墙高的水平位移曲线

由图3可知，最大水平位移均出现在面板顶部，本研究计算结果的变形规律与文献[9]相关结果的变形规律一致并且数值相近，由此说明本研究计算模型的可靠性。

2 结果分析

2.1 墙顶荷载—竖向沉降

Sandwich形以及传统粗颗粒土加筋土桥台的墙顶荷载—竖向沉降关系曲线如图4所示。选取荷载增量为20 kPa,逐级施加荷载直至沉降骤增为止。分析可知，随着荷载逐级增大，传统的粗颗粒土加筋土桥台的墙顶沉降逐渐增大，当荷载为240 kPa 时竖向位移约为13 mm，继续增大沉降骤增，荷载极限承载力约为240 kPa。Sandwich形加筋土桥台的极限承载力相对较小，约为220 kPa，此时竖向位移约为15 mm。两类桥台的荷载—竖向沉降变化规律一致，极限承载力之差约为8%。由此说明，Sandwich形加筋土桥台通过改善筋土之间的相互作用能提高其极限承载力直至承载力接近粗颗粒土加筋土桥台。

图4 Sandwich形以及传统粗颗粒土加筋土桥台的墙顶荷载—竖向沉降关系曲线

2.2 水平位移

不同工况作用下，Sandwich形以及传统粗颗粒土加筋土桥台面板沿墙高的水平位移曲线如图5所示。由图5可知，随着荷载的增大，曲线斜率逐渐减小，两类桥台的水平位移差值也在增大。Sandwich形加筋土桥台面板沿墙高的水平位移略大于粗颗粒土加筋土桥台面板的相应位移。总体而言，挡墙水平位移随着上部荷载的增加而逐渐增加。两类桥台的水平变形沿墙高的变化规律一致，都是随高度的增加而增大，在面板的中上部变形大、底部变形小，整体呈外倾式，挡墙的破坏以顶层混凝土模块被挤出所致破坏为主。

图5 Sandwich形以及传统粗颗粒土加筋土桥台面板沿墙高的水平位移曲线

不同工况作用下，Sandwich形加筋土桥台的水平变形云图如图6所示；传统粗颗粒土加筋土桥台的水平变形云图如图7所示。总体看来，水平变形沿着桥台高度方向不断增大，两类挡墙的水平位移等值线大体上均呈现层状分布，平滑延伸至未加筋填土区域，且上部的位移较下部位移大，顶部达到了最大值。

图6 Sandwich形加筋土桥台的水平变形云图

图7 传统粗颗粒土加筋土桥台的水平变形云图

由图6和图7可知，Sandwich形加筋土桥台的上部位移略大于传统加筋土桥台的上部位移，前者的延伸范围也略大于后者。粗颗粒土加筋土桥台的变形连续性较好，而Sandwich形加筋土桥台水平变形云图在粗颗粒土与黏土的交界处以及加筋与未加筋区域交界处出现部分不连续现象。这可能是由于黏土分布不稳定且粗颗粒土与黏土接触面之间存在相互作用使变形云图在靠近面板顶部处不够连续造成。

2.3 水平土压力

不同工况作用下，Sandwich形加筋土挡墙以及粗颗粒土加筋土桥台面板后水平土压力沿墙高的分布曲线如图8所示。由图8可知，两类桥台的最大墙后水平土压力均位于面板底部，二者数值相差较小，在工况1和工况2作用下最大台后水平土压力差值约为4%。此外，两类桥台的墙后水平土压力随着上部作用荷载的增大而逐渐增大，随高度的增加而减小。这是由于在水平土压力作用下结构有侧向位移，带来了卸载作用，侧向变形大的部位水平土压力减小。此外，面板与土体的摩擦以及土工格栅的水平限制作用等均可导致水平土压力的减小。随桥台高度的增加，粗颗粒土加筋土桥台的墙后水平土压力在墙高大于2m后呈线性减小，Sandwich形加筋土桥台的墙后水平土压力总体大致呈线性减小。

图8 Sandwich形加筋土挡墙以及粗颗粒土加筋土桥台面板后水平土压力沿墙高的分布曲线

不同工况作用下，粗颗粒土以及Sandwich形加筋土桥台在未加筋与加筋区域交界处的水平土压力沿墙高变化曲线如图9所示。当上部荷载相同时，无论是哪类桥台，中部的水平土压力大小相近。总体上两类加筋土桥台的水平变形沿挡墙高度的变化规律有一定差异，Sandwich形加筋土桥台加筋区域后的水平土压力整体呈现顶部与底部大、中间小的趋势。而粗颗粒土加筋土桥台水平土压力大体呈现出随墙高增大而减小的趋势，最大值出现在桥台底部，桥台中上部水平土压力较小。

图9 粗颗粒土以及Sandwich形加筋土桥台在未加筋与加筋区域交界处的水平土压力沿墙高变化曲线

2.4 竖向压力

不同工况作用下，两类桥台不同高度的筋材处竖向压力分布如图10～图12所示。研究选取第1层、6层以及12层筋材处，即桥台高度分别为0 m、2.5 m和5.5 m处的竖向压力分布进行分析。由图10可知，两类桥台的筋材处竖向压力沿底层筋材长度的分布规律基本一致。随着距离面板长度的增加，竖向压力均呈非线性分布，竖向压力最大值出现在筋材长度的中后部，而竖向压力向两侧方向呈减小规律。与粗颗粒土加筋土桥台相比，Sandwich形加筋土桥台的竖向压力值整体上略大。由于筋材与土体之间摩擦力、墙体内水平土压力及墙面水平位移共同作用，竖向压力沿筋材长度呈非线性分布。从倾覆力矩的角度分析，加载前桥台下部的最大竖向压力应在靠近挡墙面板位置，并向筋材末端逐渐减小，而实际上最大竖向压力出现在筋材中后部，这可能是因为面板发生一定程度的水平位移，使部分应力释放造成。

图10 底层筋材处竖向压力分布

图11 中间层筋材处竖向压力分布

图12 顶层筋材处竖向压力分布

由图11可知， Sandwich形加筋土中层筋材处的竖向压力分布与底层竖向应力类似，压力最大值也是发生在筋材中后部，且向两侧逐渐减小。粗颗粒土加筋土桥台中间层筋材处的竖向压力沿筋材中部大体上等值均匀分布。

由图12可知，Sandwich形加筋土桥台顶层筋材处的竖向压力最大值同样也发生在筋材中后部。传统粗颗粒土加筋土桥台与Sandwich形加筋土桥台相比，其顶层筋材处的竖向压力曲线的连续性更好，筋材受力更加均匀。

3 结论

(1) Sandwich形加筋土桥台的工作性能与粗颗粒土加筋土桥台的相关性能相近，是一种较好的新型加筋土结构。

(2) 不同工况下，两种加筋土桥台面板后水平土压力随着高度的增加，基本呈线性减小，但Sandwich形加筋土桥台面板后水平土压力比传统的粗颗粒土加筋土桥台大4%。

(3) 传统的粗颗粒土加筋土桥台变形以及筋材受力更加均匀。Sandwich形加筋土桥台筋材处的垂直土压力沿水平方向呈非线性分布，最大值发生在筋材中后部。